Análise da distorção do sinal Sin/Cos em resolvedores do tipo relutância sob forte interferência eletromagnética - Sensor Resolver EV

Em aplicações como acionamentos elétricos de veículos de novas energias e servos industriais, resolvers são amplamente utilizados como sensores de posição do rotor do motor. Eles não contêm chips semicondutores, suportam altas temperaturas e resistem à vibração - eles parecem muito 'robustos'. No entanto, muitos engenheiros encontram um problema intrigante no local: quando a potência do motor aumenta e a frequência de comutação PWM aumenta, os sinais de saída seno / cosseno do resolvedor desenvolvem falhas, flat-topping, distorção de envelope e outras anomalias, levando a jitter angular, ondulação de torque e até mesmo falhas no controlador.

I. Qual é a aparência de um sinal seno/cosseno de resolução normal?

A estrutura de um resolver do tipo relutância é relativamente simples: o estator carrega um enrolamento de excitação e dois enrolamentos de saída espacialmente ortogonais, enquanto o rotor é feito de pólos salientes de aço silício com formato especial, sem enrolamentos. Uma excitação senoidal de alta frequência é aplicada ao enrolamento de excitação:

Quando o rotor gira em um ângulo θ , os dois enrolamentos de saída induzem respectivamente:

Na prática, cada sinal é diferencial, por exemplo, S1-S3 e S2-S4. Como pode ser visto, a saída do resolver é uma portadora de alta frequência cuja amplitude é modulada pelo ângulo do rotor  θ  . Em um osciloscópio, as formas de onda aparecem como dois envelopes que variam com o ângulo como seno e cosseno, respectivamente.

O chip de decodificação - o Conversor Resolver-to-Digital (RDC) - demodula esses sinais, extrai os envelopes e calcula o ângulo via  

II. De onde vem a forte interferência eletromagnética

O resolver é normalmente montado na extremidade do motor, cercado por um ambiente típico de forte interferência eletromagnética:

·  Comutação de alta velocidade de IGBTs/MOSFETs : A frequência portadora PWM do controlador do motor está geralmente na faixa de alguns kHz a dezenas de kHz, mas as bordas de comutação são de apenas dezenas a centenas de nanossegundos, com espectros que se estendem até dezenas de MHz.

·  Barramentos de potência e cabos de fase : Mudanças rápidas em alta corrente e alta tensão geram fortes campos elétricos e magnéticos.

·  Operações de contatores e relés : Produzem arcos e pulsos transitórios.

·  Conversores de energia : Ripple e harmônicos da comutação de fontes de alimentação.

Uma vez que essas interferências se acoplam às linhas de sinal do resolvedor, elas se sobrepõem aos sinais seno/cosseno, que de outra forma seriam limpos.

III. Como a interferência entra na cadeia de sinal

Existem quatro caminhos principais através dos quais a interferência entra na cadeia de sinal do resolvedor:

1. Acoplamento radiativo
As linhas de energia e os nós de comutação atuam como antenas de transmissão, enquanto os chicotes elétricos do resolvedor atuam como antenas de recepção. Quando os chicotes do resolver são roteados paralelamente aos cabos de alimentação, os campos eletromagnéticos de alta frequência induzem tensões diretamente nos chicotes.

2. Acoplamento condutivo
A interferência entra no sistema resolver através das linhas de alimentação de excitação ou da fonte de alimentação da placa decodificadora e, em seguida, acopla-se no lado do sinal.

3. Diferenças de potencial de aterramento
Grandes correntes causam quedas de tensão nos traços de aterramento ou em invólucros metálicos, criando potenciais de aterramento desiguais entre a extremidade do resolver e a extremidade do decodificador, formando tensões de modo comum.

4. Diafonia entre linhas
Quando os chicotes do resolvedor correm paralelos aos cabos de fase, barramentos, etc., a capacitância parasita e a indutância mútua entre as linhas acoplam a interferência.

4. Manifestações Típicas de Distorção

Em um osciloscópio, os sinais seno/cosseno sob forte EMI podem aparecer nas seguintes formas.

1. Superposição de falha de alta frequência
Picos e toques sincronizados com bordas PWM aparecem na portadora. Isso ocorre porque as correntes de alta frequência geradas durante os momentos de comutação acoplam-se às linhas de sinal através da capacitância parasita. As amplitudes de falha podem atingir dezenas de mV ou até centenas de mV, enquanto as amplitudes normais do sinal diferencial são normalmente de apenas alguns volts, resultando em uma queda significativa na SNR.

2. Ruído de modo comum para modo diferencial
Os sinais diferenciais são teoricamente sensíveis apenas à diferença de tensão entre os dois fios e têm capacidade de rejeição contra interferência de modo comum. No entanto, os cabos, conectores e redes de filtros reais nunca são perfeitamente simétricos. Quando a interferência de modo comum de alta frequência entra, parte dela é convertida em tensão de modo diferencial e sobreposta aos sinais seno/cosseno. Esse ruído geralmente aparece como “fuzz” periódico no envelope.

3. Corte e saturação
Quando a amplitude de interferência é grande e o pico do sinal sobreposto excede a faixa de entrada RDC ou os trilhos de alimentação do amplificador operacional, os topos da forma de onda são 'cortados'. O corte destrói diretamente o envelope sen/cos, causando graves erros não lineares no ângulo decodificado.

4. Desvio de deslocamento CC
Componentes de baixa frequência na interferência, correntes de loop de terra ou efeitos de retificação podem causar um deslocamento CC no sinal, tornando a forma de onda assimétrica. A decodificação RDC normalmente assume sinais AC puros; o deslocamento leva a erros de ângulo e ondulação de velocidade.

5. Distorção harmônica
A não linearidade dos materiais magnéticos e a intermodulação entre a interferência e o portador de excitação geram componentes harmônicos. Uma vez que os harmônicos entram no RDC, eles podem ser demodulados em erros harmônicos de alta ordem no ângulo, manifestando-se como ondulação de torque ou ruído.

6. Desequilíbrio de amplitude seno/cosseno e mudança de fase
Se os dois caminhos de sinal para sen e cos tiverem diferentes parâmetros de filtro, comprimentos de cabo ou impedâncias de contato do conector, os dois canais serão afetados de maneira diferente sob forte interferência, resultando em incompatibilidade de amplitude ou mudança de fase. O RDC calcula o ângulo com base em senθ/cosθ; o desequilíbrio de amplitude ou fase produz diretamente erros de ângulo.

V. Impacto da Distorção no Sistema

A distorção do sinal não é apenas uma “questão visual” no osciloscópio; isso reflete diretamente no desempenho do sistema:

·  Jitter de saída de ângulo : O ruído demodulado pelo RDC causa jitter de alta frequência no valor do ângulo, amplificando o ruído de feedback de velocidade.

·  Erros periódicos de ângulo : A distorção do envelope e os harmônicos causam erros de ângulo que variam periodicamente com a posição do rotor, levando a flutuações de corrente no eixo dq e ondulação de torque.

·  Falhas e perda de bloqueio : Interferências graves podem fazer com que o circuito de rastreamento RDC perca o bloqueio, resultando em saltos angulares e acionando proteção contra sobrecorrente ou sobretensão.

·  Degradação do desempenho do sistema : Em veículos eléctricos, isto pode levar à redução da eficiência do motor, ao aumento da vibração e do ruído e até comprometer a segurança do veículo.

VI. Como identificar e solucionar problemas

Na depuração prática, os seguintes métodos podem determinar rapidamente se os sinais do resolvedor são afetados por EMI forte:

·  Utilize  pontas de prova diferenciais  para medir S1-S3 e S2-S4, evitando pontas de prova de terminação única que possam introduzir loops de terra.

·  Observe simultaneamente o sinal de excitação e os sinais de saída para determinar se a interferência é introduzida através do lado de excitação.

·  Compare as formas de onda com o motor parado e em funcionamento, e com o PWM ligado ou desligado, para determinar se a interferência se origina no circuito de alimentação.

·  Use a FFT do osciloscópio para analisar o espectro de interferência e verificar se ele coincide com a frequência portadora PWM ou com os harmônicos de borda.

·  Meça a tensão de modo comum das duas linhas à terra para avaliar o nível de interferência de modo comum.

VII. Medidas de Supressão

A supressão da distorção requer esforços simultâneos em três frentes: a fonte de interferência, o caminho de acoplamento e o receptor.

1. Otimize o chicote elétrico e a blindagem

·  Use pares trançados blindados para linhas de sinal do resolver, com a blindagem aterrada em um único ponto na extremidade do decodificador para evitar loops de terra causados ​​por aterramento de terminação dupla.

·  Passe as linhas de sinal separadamente dos cabos de potência, evitando longos percursos paralelos; se o cruzamento for inevitável, cruze-os perpendicularmente.

·  Se necessário, utilize conduítes metálicos ou blindagem de camada dupla para melhorar a eficácia da blindagem de alta frequência.

2. Filtragem e proteção

·  Adicione bobinas de modo comum e filtros passa-baixo RC na entrada RDC para suprimir ruído de modo comum e falhas de alta frequência.

·  A frequência de corte do filtro deve ser superior à frequência de excitação do resolver, evitando atraso excessivo de fase, o que de outra forma introduziria novos erros angulares.

·  Adicione dispositivos de proteção, como tubos TVS, para evitar que sobretensões transitórias danifiquem o circuito do decodificador.

3. Layout e aterramento

·  Coloque a placa do decodificador o mais próximo possível do conector do resolver para encurtar os traços do sinal analógico.

·  Separe o terra analógico do terra de alimentação, conectando-os em um único ponto para evitar que grandes correntes fluam através do terra analógico.

·  Preste atenção à continuidade da blindagem na seleção do conector, garantindo que a blindagem não esteja quebrada no conector.

4. Tratamento do lado da excitação

·  Use pares trançados blindados também para linhas de excitação e adicione filtragem à fonte de alimentação de excitação.

·  Evite compartilhar conectores ou chicotes entre sinais de excitação e cabos de alimentação.

5. Sistema e medidas algorítmicas

·  Escolha chips RDC com forte capacidade anti-interferência, como aqueles com demodulação síncrona integrada e filtragem digital.

·  No software, aplique filtragem, limitação de taxa e verificações de plausibilidade ao sinal angular para evitar que pulsos de interferência individuais causem anomalias de controle.

·  Otimize as taxas de variação de borda PWM e adicione circuitos amortecedores para reduzir a interferência na fonte.

VIII. Conclusão

O resolvedor magnetorresistivo é inerentemente um sensor robusto, mas suas saídas seno/cosseno são sinais analógicos de baixo nível que são suscetíveis à distorção sob forte EMI. Compreender as fontes de interferência e caminhos de acoplamento e implementar blindagem, filtragem, aterramento e layout adequados são essenciais para garantir a precisão e a confiabilidade do feedback angular.

Para os engenheiros, a forma de onda no osciloscópio é o melhor “relatório de integridade”. Quanto mais cedo a distorção do sinal for detectada, menor será a probabilidade de problemas no sistema.